含钆镁合金废料真空气化回收过程中的相演变与分离行为研究

《Journal of Magnesium and Alloys》：Study on phase evolution and separation behavior in Gd-containing magnesium alloy scrap recycling by vacuum gasification

　　

研究人员针对航空航天及高温领域广泛应用的高性能含钆（Gd）镁合金，在传统回收过程中存在的稀土损耗大、回收率低等问题，采用真空气化技术实现了镁与钆的协同回收。通过热力学计算、Mg-Gd体系相图分析、相演变研究及JDM4合金废料验证实验，结果表明：真空气化可有效实现镁钆分离，降低系统压力能显著减少所需工艺温度；理论与实验均证实分离过程遵循一致的相演变序列：Mg5Gd → Mg3Gd → Mg2Gd → MgGd → Gd。气化过程中，Mg-Gd金属间化合物呈熔融态并形成富钆多层包覆结构，钆含量由内向外递增，该结构会抑制镁挥发并诱发飞溅导致钆损失；通过调控温度与保温时间可有效管理包覆层的分解进程与状态。对JDM4废料进行真空气化后，获得纯度99.945 wt.%的冷凝镁，镁回收率达96.61%；同时获得纯度93.71 wt.%的钆产品，钆回收率达99.91%。本研究为含钆镁合金高效回收提供了坚实的理论与实践支撑，为促进镁与稀土资源的可持续循环经济提供了关键技术指导。

研究背景与意义

高性能含钆镁合金因低密度、高比强度及优异耐热性，被广泛应用于航空航天、国防军工及汽车动力部件等高端制造领域。然而，此类合金生产及服役报废过程中产生的废料中，重稀土钆的战略稀缺性与高价值使其成为资源循环的关键对象。传统熔剂精炼法易导致稀土氧化烧损，固态回收法则受限于材料适用范围与规模化瓶颈，导致大量含钆废料堆积，既增加存储风险又造成战略资源浪费。因此，开发高效、低损耗的钆与镁协同回收技术，成为推动镁稀土资源可持续循环的核心挑战。研究人员针对这一痛点，提出了真空气化回收新工艺，相关成果发表于《Journal of Magnesium and Alloys》。

关键技术方法

研究采用两类典型含钆镁合金作为样本：一是成分为Mg-29.95 wt.% Gd的Mg30Gd二元合金，二是工业实际废料——成分为Mg-11.18 wt.% Gd-0.38 wt.% Zr-0.2 wt.% Zn的JDM4商用合金。核心实验在水平式真空管式炉中进行，系统极限真空达0.1 Pa，最高工作温度1273 K。研究人员结合FactSage 8.4热力学软件构建了不同真空压力下的Mg-Gd二元相图，并通过电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）、扫描电子显微镜（SEM）与能谱（EDS）、X射线衍射（XRD）等手段表征了气化和残留产物的成分、微观结构与物相演变。

研究结果

3.1 理论分析

3.1.1 真空气化分离理论

研究人员通过计算饱和蒸气压与分离系数，证实了镁与钆之间存在超过七个数量级的蒸气压差，其分离系数远小于10^-10，表明真空条件下二者具有极高的热力学可分离性。蒸气相中钆的含量极低（最高仅0.002 ppm），且随温度升高略有增加，证明钆的气化损失可忽略不计。

3.1.2 真空体系相图理论

相图计算显示，随着系统压力从10000 Pa降至10 Pa，液相区逐渐消失，气化路径由“固-液-气”转变为“固-气”升华模式，分解温度显著降低（如Mg₅Gd分解温度下降约368 K）。吉布斯自由能计算验证了金属间化合物的逐步热分解序列：Mg₅Gd → Mg₃Gd → Mg₂Gd → MgGd → Gd。

3.2 Mg30Gd真空气化分离行为

3.2.1 真空过程相演变分析

实验验证了理论预测的相变序列。在1023 K下，随着保温时间延长，物相由Mg₅Gd逐步向Mg₃Gd、Mg₂Gd、MgGd及最终Gd转变。EDS线扫描揭示了典型的“收缩核模型”特征：残留合金由内向外形成富钆梯度包覆层，外层先分解形成致密Gd基壳层，阻碍内部镁原子的扩散，导致动力学滞后。

3.2.2 镁钆分离效果

温度是影响分离效率的主导因素。在973 K至1023 K低温阶段，镁挥发率稳定在52%-60%，残留物呈熔滴状，包覆层抑制了进一步分解。当温度升至1073 K以上，内部积聚的镁蒸气压超过包覆层承受极限，引发破裂飞溅，导致挥发率异常升高并伴随钆损失。冷凝镁中的钆杂质随温度和时间的增加而缓慢累积，证实需精确控制工艺窗口以避免钆污染。

3.3 JDM4合金真空气化回收应用

在优化参数（973 K, 10 Pa, 150 min）下，研究人员成功实现了工业废料的回收。残留物中钆纯度提升至93.71 wt.%，富集倍数为8.38，钆回收率高达99.91%。冷凝镁纯度达99.945 wt.%，镁回收率为96.61%。锌（Zn）因挥发性高于镁，成为冷凝镁中主要杂质（0.0494 wt.%）；硅（Si）则因与镁蒸气通量夹带进入冷凝产物（49 ppm）。

讨论与结论总结

研究人员指出，尽管实际动态过程存在传热与传质限制导致的非平衡偏差（如包覆层形成），但相图理论仍对工艺设计具有重要指导意义。为避免飞溅，建议采用分段升温或减小原料粒径，但需警惕破碎引入铁（Fe）杂质的风险。

结论如下：（1）热力学与相图分析证实，10 Pa真空环境可将Mg-Gd金属间化合物分解温度降低360 K以上，相演变严格遵循Mg₅Gd → Mg₃Gd → Mg₂Gd → MgGd → Gd序列。（2）分离过程分为两阶段，温度为主导因素；熔融态金属间化合物形成的富钆多层包覆结构是引发飞溅与钆损失的主因，可通过精准调控温时参数加以控制。（3）该技术可实现JDM4废料中镁（纯度99.945 wt.%，回收率96.61%）与钆（纯度93.71 wt.%，回收率99.91%）的高效协同回收，为镁及稀土资源的可持续循环经济提供了坚实的技术支撑。